王俏俏，林 琳，刘红霞，马 强，林祺蔚，李慧聪

（1.国网济南供电公司，山东济南250012；2.国网山东省电力公司，山东济南250012）

风电场中直击雷的防护和研究

王俏俏1，林 琳1，刘红霞1，马 强2，林祺蔚1，李慧聪2

（1.国网济南供电公司，山东济南250012；2.国网山东省电力公司，山东济南250012）

风力发电场中输电线路是防雷保护的重要部分，当直击雷击在输电线路上时，不仅会对线路本身带来破坏，其产生的侵入波过电压将顺着线路传递至风电机组，可能会引起变压器的损坏，从而导致风电机组的停运。以某风力发电场雷击事故为例，将通过电磁暂态软件程序ATP/EMTP建立雷电直击输电线路的模型（雷电流模型、杆塔模型、输电线路电缆模型、避雷器模型、绝缘子串模型和变压器模型），通过仿真计算出升压变压器上的暂态过电压和流过电缆的最大雷电流，并仿真了在安装线路避雷器和降低接地电阻时，雷击点处的雷电过电压和过电流值。最后通过综合对比提出了在1号、2号杆塔安装避雷器和降低杆塔接地网电阻值的两种保护措施来对风电场场内输电线路进行有效防雷。

风电场；场内输电线路；过电压；ATP/EMTP

0 引言

随着近十年全球温室气体排放以几何倍数增加，进而导致全球气候变暖、海平面上升等问题日益严重。因此，以风力发电为代表的清洁能源技术的快速发展成为目前世界能源构架的至关重要的一部分。据联合国能源组织报告，全世界风力发电的总装机容量已达300 GW[1]，目前，我国已超越美国成为全球风力发电装机容量最大的国家，总装机容量为114 609 MW，占全球风电装机容量的31%。在影响风电机组安全、稳定、可靠运行的各因素中，直击雷的威胁是其中较为重要的因素。我国的风力发电场大都建设在雷电活动较为频繁的高海拔山区或平原旷野地区，并且随着风电场装机容量的不断加大，发电场中的线路也相应增加，致使线路遭受雷击的概率也就增加。一旦遭受直击雷，加之线路没有合适的防雷措施，雷电流就将造成绝缘子串和线路的损坏，进而线路发生跳闸事故。当雷电落在风电场中的电力杆塔上，雷电进行波就顺着电力线路流入风电机组，进而威胁到风力发电机组中高压设备及其附属设施的安全、稳定、可靠运行。因此，风电场内输电线路的防雷保护研究对于其稳定可靠发、输电具有至关重要的意义。

笔者以某风电场为试验研究对象，对该风电场中的线路进行防雷措施研究。将利用ATP/EMTP时变电磁场暂态软件对场内的升压变压器的侵入波过电压进行计算[2-3]。最后通过改变线路杆塔接地网电阻和线路杆塔加装线路避雷器，提出了风力发电场中电力线路的雷击模型以及防雷改进措施，从而实现风力发电的安全可靠运行。

1 风力发电场模型

笔者利用ATP—EMTP软件建立等值电路模型，该软件程序是由美国Dommel教授设计并开发的，起初是被应用于电力系统的暂态仿真。通过不断的改进，ATP/EMTP已是电磁场暂态计算分析中常用的软件，被广泛应用于雷电流的暂态过程分析，该软件具有计算结果精确度高，可供选择模型较多，适用广泛等优点。

1.1 雷电流模型

直击雷雷电流计算模型有Heidler型与双指数型[4]。由于笔者所研究的风电场处于山区，因此将采用适用于复杂地形的Heidler模型[5]，雷电流波形采用IEC风电机组雷电防护标准，波形取2.6/50μs，雷电通道波阻抗为300Ω，其模拟表达式为

式中：I0为雷电流峰值；τ1为波前时间；τ2为波长时间；n为电流陡度因子。

1.2 输电杆塔的模型

对于高压输电线路的防雷研究，线路塔基的雷电流响应的波阻抗即雷电击中塔基时，顶部的电位与流过塔基的雷电流比值，对雷电流进行波的参数计算有直接影响。同样，杆塔模型对计算直击雷的耐雷水平也同样重要，由于雷电波在杆塔中的传播时间对于距离地面不同高度的输电杆的波阻抗是不同的（波阻抗的值沿杆塔是变化的），存在较大的衰减。因此本文将采用多波阻抗的杆塔模型更为合理，文献[5]中提出的多波阻抗模型来对线路杆塔进行等效，由此得到的塔顶电位随时间变化的函数，其各部分波阻抗计算公式如下：

式中，rAi为横担等效半径，可取与杆塔连接处横担宽度的1/4。

1.3 线路及电缆模型

ATP/EMTP中元件库有较多适用于各种环境的输电线路计算模型，当中有J.Marti、Semlyen与Noda模型的计算参数设置可根据雷电流的频率更改。通常雷电流中含有各种频率的波，为了计算更为精确，获取和实际雷电暂态波形更适合的雷电参数值，本文所搭建的线路雷击计算模型要与雷电流频率相关[6]。因此，采用J.Marti模型。除此之外，雷电流具有很强的随机性，直击雷的计算也都是基于一定的假设。高压输电线路上的直击雷大多数情况下都是雷电击中单相导线，其它几相上的感应电压较其低很多，所以只要分析受到雷击的那一相即可。

1.4 绝缘子串模型

某风电场，其输电线路中使用的悬垂绝缘子串和耐张绝缘子皆属于防污型，并以单串和双串两种形式进行连接，其具体型号为XWP-7。其中，悬垂绝缘子串采用了4片绝缘子，耐张型则是5片。为了能在仿真过程中准确判断绝缘子发生闪络与否，采用相交法进行判断[7-10]，如图1所示，2条曲线相交的t时刻点就是发生闪络的时间点。

图1 相交法判断绝缘子串闪络Fig.1 Judgment of flashover of insulator string by intersection method

笔者采用MODELS语言编制来实现相交法的绝缘子串闪络判据。ATP/EMTP中的MODELS程序是一种仿真工具描述语言，是针对时变雷电系统研究的专业程序。该语言为模型的搭建提供了元件基本功能和讲述模型结构的格式。

1.5 避雷器模型

正由于ZnO避雷器在其伏安特性较好，在避雷器的模型选择中通常选取ZnO避雷器。如图2所示，为其伏安特性曲线，一般情况下，ZnO避雷器可看作开路状态；当出现雷电流时，ZnO避雷器可看作短路。所以，在模拟中将用ATP/EMTP中的非线性电阻来模拟ZnO避雷器

图2 避雷器伏安特性曲线Fig.2 The volt-ampere characteristics of surge arrester

1.6 风电场中的变压器模型

通常对雷电侵入波与风电场中高压设备的绝缘研究，需要测量升压变压器高压侧的过电压值，该计算法只计算雷电波的起始两端，可忽略过电压在波行进过程中的能量损耗，如此就能采取入口电容元件来模拟该风电场的升压变压器。

2 风电场输电线路雷击仿真分析

2.1 直击雷仿真

强雷雨，1号风电机组（正在运行）与5号机组（调试试运行）受雷电波入侵影响，发生了机组脱网跳闸，同时1号机组的第12号风机电源因雷电造成了损坏。雷雨后发现：5号变压器的低压、高压侧绝缘子有闪络痕迹，并且开关柜内的低压电缆、母线及高压侧的接头处都有放电。如图3所示为12号风机以及与其相连的4级杆塔。

图3 12号风电机组及其输电线路Fig.3 No.12 wind turbines and transmission lines

图3中，0号杆塔为终端水泥杆塔，1号、2号和3号杆塔为铁塔。档距如图所示。

2.2 事故仿真分析

针对该风电场特殊的山地环境，在仿真模拟参数设置时，对杆塔的接地电阻设为Rg=15Ω，并在线路的末端（0号塔）装设ZnO避雷器，其余参数都按照现场实际情况进行设置。再用ATPdraw仿真模拟出雷电直击在场中线路的模型，得到此输电线路的耐雷水平为35.2 kA，结果和该风电场的耐雷情况相同。因此，通过该直击雷电模型所进行的计算和分析结果是可靠的且具有实际工程意义。

当3号杆塔遭受到不同雷电流袭击时，升压变压器的侵入波过电压幅值如表1所示，随着雷电流的幅值越大，雷电过电压的幅值也越大。为定量的分析，设定雷电流的大小为100 kA。

表1 不同雷电流幅值下箱变上的过电压幅值Table 1 The amplitude of overvoltage in the case of different lightning current amplitude

通过几处直击雷点和安装避雷器数量这两组因变量对变压器高压侧过电压进行了仿真分析，得出了表2。从表2中可知，避雷器的安装数量越多，变压器上的过电压值就越低，从而雷电对高压设备的影响也就越小。如图4所示，在已有0号杆塔有避雷器的基础上，当1号杆塔也装设避雷器，此时模拟雷电波从1号塔进入，过电压的有效值减小28.0%；如图5所示，当在2号杆塔装设避雷器，模拟雷电击中2号塔时，过电压值只减小10.1%。同理，在3号杆塔装设避雷器，过电压值就只减小3%。从中可以得知，在越靠后的杆塔装设避雷器，其作用就越小，因此应在1号和2号杆塔上增设线路避雷器。

表2 改变避雷器安装方案和雷击点时箱变上的过电压幅值Table 2 Change the lightning arrester installation scheme and the change of the box overvoltage amplitude kV

在前文所述1号和2号塔上装设避雷器的基础上，将进行输电杆塔的接地电阻对雷电过电压的影响研究。因为风电场地理位置较为复杂，并受其影响，研究中只对最末端两座杆塔的接地电阻进行模拟研究。

现模拟100 kA，0.25/100 μs的雷电击中1号塔，此时通过改变最末端两基塔的接地电阻（因变量），得到如图6所示的变压器高压侧端过电压波形图。图7为降低接地电阻对过电流的影响，从图中可知，通过减小最末两端接地电阻的阻值对过电压的影响非常小，然而却大大降低了末端电缆处的电流。将电阻值减小到原值的1/2时，雷电流幅值降低49.8%，通过减小终端塔和1号杆塔的接地电阻，可以有效降低高压设备损坏的几率。

图4 采取方案1时箱变上的过电压Fig.4 The overvoltage of the transformer for the Plan 1

图5 采取方案2时箱变上的过电压Fig.5 The overvoltage of the transformer for the plan 2

图6 降低接地电阻对过电压的影响Fig.6 The influence of reducing grounding resistance on overvoltage

图7 降低接地电阻对过电流的影响Fig.7 The influence of reducing grounding resistance on overcurrent

3 改进措施

1）通过在风电场输电线路上安装避雷器，能够把直击雷电流分流流入大地，这样可以大大降低侵入升压变压器的雷电压过电压波。最终达到了对线路和变压器的保护目的。通过以上仿真的结果可得出：在风电场中的终端塔和1号、2号杆塔都安装避雷器，可以大大提高防雷的效果。

2）当输电杆塔的接地网电阻值远小于杆塔上的避雷线和导线的阻抗值时，直击雷中的绝大部分的雷电流会顺着输电杆塔流入大地，其余的雷电流就会顺着避雷线流向附近的杆塔，通过该方法可降低直击雷侵入波对风电场中设备的危害。并采取降低输电线路末端两基杆塔的接地电阻的措施，可以对风电场防雷起到较大的作用。

4 结论

针对现目前的风电场中的输电线路防雷保护研究较少，当雷电击中输电杆塔时，将引起侵入过电压波，此种波将会顺着输电线路传播到风力发电机组，从而会对升压变压器和其他一次、二次高压设备的损坏。为了减少直击雷对风电场中设备的影响、降低侵入变压器的暂态过电压，将安装线路避雷器对直击雷的暂态过程进行限制，最终达到保护变压器和其他设备的目的[11-14]。经本文研究发现：当分别降低风电场中输电线路最末端两座杆塔的接地电阻，就能够充分减小流经杆塔的雷电流。通过ATPdraw软件分析，当在风电场中输电始端的两座塔基上增设ZnO避雷器时，可以实现大幅度降低雷电侵入波对高压设备的损坏，从而提高风电场中输电线路的耐雷水平，保障风电场稳定安全的运行。

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Research and Protection of Direct Lightning Strike in Wind Farm

WANG Qiaoqiao1，LIN Lin1，LIU Hongxia1，MA Qiang2，LIN Qiwei1，LI Huicong2
（1.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China；2.State Grid Shandong Electric Company，Jinan 250012 ，China）

The weak link of the lightning protection in a wind farm is the transmission lines，when the direct lightning stroke on the power transmission line，it will not only bring damage to the transmis⁃sion line itself，the invade wave overvoltage along the line will be transmitted to the wind turbine，that will cause transformer damage and the wind turbine outage.In this paper，a lightning accident of a wind farm is analyzed，ATP/EMTP is used to simulate a lightning strike on the transmission lines（lightning current model，tower model，lightning arrester model，insulator string model，transformer model），through the simulation，the transient overvoltage on step-up transformer and maximum lightning current flow through the cable are obtained，and it is simulated that the overvoltage and overcurrent value at light⁃ning point when installing line surge arresters and grounding resistance reducing.Finally，through the comprehensive comparison，two protection measures are put forward，one is install arresters in the tower No.1，the other is reduce the grounding resistance in the tower No.2，so as to effectively protect the trans⁃mission line in the wind farm.

wind farm；transmission lines；overvoltage；ATP/EMTP

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.019

2017-03-29

王俏俏（1984—），女，高级工程师，主要从事电网调度自动化系统维护及管理工作。